Dual-beam scrolling interference pattern flow cytometry for high-throughput characterization of submicron sized particles Main article
本論文は、感度の限界を克服するために二重ビーム・スクローリング干渉パターンを利用した高スループット流動細胞解析プラットフォームを紹介するものであり、これにより、15 nmもの微小な金ナノ粒子を含むサブミクロン粒子の検出および識別を、毎秒最大750粒子という速度で可能にする。
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ナノテクノロジーという目に見えない世界では、粒子が通常の顕微鏡では見えないほど小さいため、科学者たちは「いかに素早く正確にそれらを数え、測定するか」という根強い課題に直面しています。合成ビーズから細胞間でメッセージを運ぶ生物学的ベシクルに至るまで、これら極小の粒子は、新しい薬の開発や生命現象の理解において極めて重要です。従来の測定法では、しばしば困難な選択を迫られます。非常に小さな粒子を見ることができる技術はありますが、それは低速で一度にわずかな数しか分析できません。一方で、毎秒数千個の粒子を数えることができる技術もありますが、砂粒よりも小さいものを検出する感度が不足しています。この溝によって、研究者たちはサブミクロン領域に存在する膨大な数の粒子を特性評価することに苦慮しており、それがドラッグデリバリーから環境モニタリングに至るまでの分野の進歩を制限してきました。
デンマーク工科大学の研究チームは、この溝を埋め、感度を犠牲にすることなく、これらの極小の物体を高速で観察・計数する方法を提供する、新しい種類の装置を開発しました。彼らのデバイスであるフローサイトメーターは、粒子を含む液体の流れの中に2本のレーザー光線を照射することで機能します。研究者たちは、一定で変化のない光ではなく、スクロールする照明のカーテンのように、光と影の縞模様が動くパターンを作り出し、それが粒子の経路を掃引するように設計しました。粒子がこのパターンの中を移動すると、粒子が散乱させる光は精密かつ急速なリズムで明滅します。検出器をこの特定の律動（リズム）だけを聞き取るように調整することで、システムは通常、微弱な信号をかき消してしまう一定の背景ノイズを無視することができます。これにより、装置は直径15ナノメートルという、標準的な高速カウンターでは検出がほぼ不可能なサイズの個々の粒子を識別できるのです。
研究者たちは、15ナノメートルから500ナノメートルまでの様々なサイズの金およびポリスチレンビーズを用いて、この新システムのテストを行いました。直接比較において、装置が単一の静止した光ビームを使用した場合には、70ナノメートルより小さな粒子を確実に捉えることができないことを示しました。しかし、デュアルビームのスクロールパターンに切り替えると、装置は15ナノメートルまで遡って粒子を明確に識別できました。システムは、毎秒最大750個という速度で粒子を処理しながら、これを達成しました。これは、これほど小さな物体を測定しようとした過去の高解像度の試みと比較して5倍速いスピードです。実験から収集されたデータは、この特定のタイプの光場において光が粒子からどのように散乱すべきかという理論的予測と密接に一致しており、設計の背後にある物理原則が意図通りに機能していることを裏付けました。
この手法の最も重要な利点の一つは、サイズだけでなく、粒子の材料特性に基づいて異なる種類の粒子を判別できる能力です。スクロールする光のパターンは各粒子に対して固有の信号シグネチャを作成するため、システムは金とプラスチックのビーズが同じサイズであっても、それらを区別することができます。これは、混合サンプルの中で異なる材料を区別することに苦労することが多い既存の手法に対する大きな改善です。また、研究者らは、このシステムが高濃度の粒子を扱っても、粒子が凝集したり検出器を混乱させたりすることなく処理できることも実証しました。これは、他の装置が希釈されたサンプルを使用せざるを得なくなる一般的な問題です。
現在のプロトタイプは特定の種類のレーザーとレンズのセットアップを使用していますが、著者らはこの技術をさらに洗練させることが可能であると示唆しています。彼らは、レーザー光の色を変え、より強力なレンズを使用することで、システムをさらに高感度にでき、おそらくリポソームや細胞外小胞のような、光の散乱が非常に少ない生物学的粒子をも検出できるようになる可能性があるというシミュレーションを行いました。現時点では、この装置は概念実証（プルーフ・オブ・コンセプト）であり、フローサイトメトリーの高速計数能力をナノスケールへと引き下ろすことが可能であることを示しています。単純な干渉パターンを強力な検出ツールへと変えることで、この研究は、サブミクロンの世界を解析するための新しいラベルフリー（標識不要）な方法を提供し、複数の低速で複雑な測定技術に取って代わる可能性を秘めています。
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